Celvormige bewolkingspatronen

Stapelwolken organiseren zich boven warm oceaanwater niet alleen volgens het patroon van koordwolken of wolkenstraten dat in het vorige hoofdstuk werd beschreven. Na een langer verblijf van de lucht boven water wordt gewoonlijk een ander patroon zichtbaar, bestaand uit min of meer zeshoekig cellen. Binnen het cellenpatroon komen weer twee verschillende varianten voor: de gesloten cellen en de open cellen. In gesloten cellen stijgt de lucht in het midden van de cel en daalt hij aan de randen (figuur a). De bewolking vormt zich, net als bij de wolkenstraten en de meeste andere gevallen van wolkenvorming, in de opstijgende lucht. In open cellen is de stroming net andersom; nu daalt de lucht in het midden en treden de stijgbewegingen, - en dus ook bewolking, - op aan de randen (figuur b)..
De zeshoekige cellen doen zich voor in een luchtlaag waarin de temperatuurverschillen tussen boven- en onderzijde groot zijn. Dat is het geval boven warm zeewater, maar ook als de bovenkant van de bewolking door uitstraling van warmte naar de wereldruimte is afgekoeld. Vooral als de lucht boven een zogeheten inversie, die de laag met bewolking aan de bovenkant begrenst, erg droog is, kunnen de wolkentoppen op deze manier sterk afkoelen.
Patronen die vergelijkbaar zijn met de cellen die in de atmosfeer optreden en die worden veroorzaakt door opwarming van onder af of afkoeling van boven, worden eveneens waargenomen onder totaal andere omstandigheden, bijvoorbeeld in de oceanen, in het inwendige van de aarde, in de zon en andere sterren, in de dampkringen en het inwendige van andere planeten en, - wat dichter bij huis, - bij laboratoriumexperimenten met vloeistoflagen. Ze staan in de natuurkunde bekend als Rayleigh-Bénard convectiecellen. De Franse natuurkundige Bénard (1874-1939) beschreef de cellen als eerste in zijn proefschrift dat in 1900 verscheen. In 1916 kwam de Engelsman Lord Rayleigh (1842-1919) met een theoretische verklaring.

2. Open zeshoekige cellen boven de Noordzee, 13 november 2004. De gegevens van de NOAA-weersatelliet werden kunstmatig ingekleurd op het DLR Institut für Physik der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen, Duitsland.

4. Open zeshoekige cellen boven de Bahama's, 19 februari 2002. Links in beeld ligt Florida, onderin Cuba. Satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team.

5. Open zeshoekige cellen ten westen van Nieuw Zeeland, 30 mei 2002. De tinten van het zeewater langs de kust hangen samen met algenbloei en sediment (zie hoofdstuk 17, Kleurrijk oceaanwater). Satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team.

Mechanisme
Het mechanisme waarmee het patroon van zeshoekige cellen zich vormt, kan als volgt worden beschreven. Als lucht over warm oceaanwater strijkt, warmt hij op, zet daardoor uit, wordt lichter en neigt naar opstijgen. De opgewarmde laag kan echter niet in zijn geheel opstijgen; de lucht erboven werkt dat tegen. Als het temperatuurverschil tussen het oceaanwater en de bovenkant van de laag niet te groot is, gebeurt er niets. De 'stroperigheid' van de lucht onderdrukt luchtstromingen en het warmtegeleidingsvermogen van de lucht voorkomt dat de temperatuurtegenstellingen tussen boven- en onderkant van de laag te groot worden. Wanneer echter een bepaalde drempel wordt overschreden, begint de lucht op een aantal plaatsen op te stijgen. De drempelwaarde wordt bepaald door de verhouding van de opwaartse kracht en de reeds genoemde factoren stroperigheid en warmtegeleidingsvermogen van de lucht. Aan de bovenkant van de laag kan de opstijgende lucht niet verder omhoog; hij moet daar naar opzij uitwijken. De lucht stroomt naar alle kanten gelijkmatig weg, zodat de voorste begrenzing ervan een cirkel vormt. Er ontstaan echter op veel meer plaatsen tegelijk van dergelijke opwaartse stromingen, zodat de horizontaal wegstromende lucht van een bepaalde bron de uitstroom van naburige bronnen tegenkomt. Waar deze luchtstromingen botsen, moet lucht naar beneden uitwijken en ontstaan dalende bewegingen. Aan de onderkant van de laag moet de lucht ook weer naar opzij uitwijken en wordt de kring gesloten: de Rayleigh-Bénard convectiecel is een feit.
De lucht beweegt op alle plaatsen even snel omhoog zo lang als zowel de onderkant als de bovenkant van de luchtlaag een eigen, vaste temperatuur hebben. De cellen, die bij het ontstaan rond waren en ongelijk van grootte, vullen het gebied waar ze optreden dan al snel op met regelmatige zeshoeken. Als de temperatuurverschillen tussen onder en boven niet overal gelijk zijn, ontstaan bij de grootste temperatuurtegenstellingen de snelste stromingen en wordt het patroon minder regelmatig.

a. Grootschalige dalende luchtbewegingen veroorzaken een inversie, waaronder zich een patroon vormt met zeshoekige cellen. In het geval van gesloten cellen worden grote, bewolkte gebieden met stijgende bewegingen afgewisseld door smalle, onbewolkte zones waarin de lucht daalt.

b. Bij open cellen is de situatie tegengesteld aan die van figuur a; nu ontstaan zeshoekige wolkenringen, waarbinnen de lucht is opgeklaard.

Kenmerken
Patronen met open cellen en vrijwel wolkenloze kernen, komen vooral voor in over relatief warm zeewater uitstromende koudere lucht. De verandering van de windrichting en windkracht met de hoogte mag niet te groot zijn. De bewolking bestaat gewoonlijk uit cumulus of cumulus congestus (gewone of sterk opbollende stapelwolken), maar soms zitten er ook buienwolken tussen. In één op de vier gevallen valt er neerslag uit de bewolking.
De zeshoekige gesloten cellen met stijgende lucht in het midden en dalende lucht aan de randen, bestaan gewoonlijk uit onder een inversie uitspreidende cumulus- of stratocumulusbewolking. Ze duiden op relatief warme luchtmassa's. Afkoeling aan de bovenzijde van de bewolking is voor het in stand houden van een temperatuurverschil tussen boven- en onderkant van de laag waarin het patroon zichtbaar is, belangrijker dan warm zeewater. De neerslagkansen liggen lager dan bij de open cellen; bovendien stelt die neerslag meestal weinig voor.
De kenmerken die hier zijn genoemd, geven slechts globale richtlijnen. Er zijn ook voorbeelden van patronen met open- en gesloten cellen vlak bij elkaar (zie beeld 3).

Satelliebeelden
De Rayleigh-Bénard convectiecellen zijn boven de oceanen op satellietbeelden geregeld te zien. Bij noordwestenwinden is de Noordzee te beschouwen als een verlengstuk van de Atlantische Oceaan, zodat verschijnselen die zich normaliter alleen boven de oceaan voordoen, dan ook boven de Noordzee waargenomen kunnen worden (beeld 2).

1. Gesloten zeshoekige cellen boven het zuidelijk gedeelte van de Atlantische Oceaan, 6 juni 2002. Het beeld is afkomstig van de Amerikaanse satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team.

3. Open én gesloten zeshoekige cellen boven het oostelijk gedeelte van de zuidelijke Stille Oceaan, 7 augustus 2002. Het beeld is net als beeld 1 afkomstig van de Amerikaanse satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team.

Actinoforme bewolkingspatronen

In wolkenvelden boven de oceaan zijn soms bladvormige of spaakwielachtige patronen te zien. Meteorologen zagen het verschijnsel tientallen jaren over het hoofd. Of ze deden het af als een overgangsvorm tussen open en gesloten cellen in dat type bewolking. Recent onderzoek laat zien dat het patroon veel gangbaarder is dan eerder werd gedacht.

1. Bewolking boven de Stille Oceaan ten westen van Zuid-Amerika. In de stratocumulusvelden zijn drie nauw verwante patronen zichtbaar: open cellen, gesloten cellen en actinoforme bewolking. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Datum: 30 september 2005. Bron: NASA/GSFC MODIS Rapid Response Team.

2. Actinoforme bewolking (rechtsonder) ten noordoosten van de Canarische Eilanden in een stratocumulusveld met overigens gesloten cellen. Detail van een opname, gemaakt door astronauten vanuit de Space Shuttle op 7 augustus 1991 08 UTC. De foto is genomen in zuidwestelijke richting, zodat de eilanden anders lijken te liggen dan op een noordgeoriënteerde geografische kaart uit een atlas. Linksboven in beeld ligt Gran Canaria; rechts daarvan achtereenvolgens Tenerife, La Gomera en El Hierro met daaronder La Palma. Bron: Earth Sciences and Image Analysis Laboratory, NASA Johnson Space Center.

Sinds de Engelsman Luke Howard meer dan 150 jaar geleden zijn wolkenindeling publiceerde, hebben talrijke weerwaarnemers en weerliefhebbers zijn classificatie gebruikt om vanaf het aardoppervlak te kijken naar en te genieten van wolkenvormen als cirrus, cumulus en stratus. Na de lancering van de eerste weersatelliet op 1 april 1960 kwamen er in de jaren zestig van de vorige eeuw satellietbeelden beschikbaar, die diezelfde bewolking van boven af lieten zien, maar doorgaans op een andere schaal. Daardoor werden in cumulus- en stratocumulusbewolking patronen zichtbaar, waarvan, - met uitzondering van de wolkenstraten, - het bestaan niet bekend was. De bewolking bleek veelal geordend in celvormige patronen, waarbij nu eens sprake was van open cellen, dan weer van een gesloten celvariant (figuur 1). In sommige stratocumulusvelden was nog meer te zien. Dit type bewolking komt veel voor bij subtropische hogedrukgebieden: boven de oostelijke Atlantische Oceaan en Stille Oceaan. De bewolking lijkt daar soms op een blad of een wiel met een radiaal patroon van wolken als bladnerven of als spaken (figuren 1-5). Een waarnemer aan de grond zou tegelijkertijd gebroken of verspreid voorkomende stratocumulus rapporteren.
In navolging van Howard werd de vorm van het patroon gebruikt voor de naamgeving: actinoform. Howard gebruikte echter consequent Latijnse woorden, terwijl actinoform is afgeleid van het Griekse woord voor straal.

2a. Een van de eerste beelden van een band met actinoforme bewolking. De vijf genummerde elementen hebben elk een diameter van ongeveer 200 kilometer. Vooral de elementen 2 en 3 tonen het karakteristieke patroon duidelijk. Element 1 is nog in ontwikkeling, terwijl elementen 4 en 5 bezig zijn samen te vloeien. De band met actinoforme bewolking bevindt zich boven de Stille Oceaan ten zuiden van de Galapagoseilanden ter hoogte van de kusten van Ecuador en Peru. Instrument: TV-camera. Satelliet: TIROS V. Datum: 7 oktober 1962 15 UTC. Bron: NOAA Photo Library Spac0160 en Monthly Weather Review, 1963.

2b. Oudst bekende opname van actinoforme bewolking, ten zuiden van Hawaii. Het bewolkinsgspatroon heeft een diameter van 323 kilometer. Instrument: TV-camera. Satelliet: TIROS V. Datum: 16 augustus1962 2322 UTC. Bron: NOAA Photo Library Spac0162 en Monthly Weather Review, 1965.

2c. Actinoform bewolkingspatroon boven de Stille Oceaan tussen Hawaii en Baja California. Satelliet: GOES 9. Datum: 17 juni 1997 1800 UTC.

Jaren zestig
De oudste satellietbeeldenbeelden van het actinoforme bewolkingspatroon dateren uit 1962 (figuren 2a en 2b); het eerste artikel in een reeks Beeld van de maand in het Amerikaanse meteorologisch tijdschrift Monthly Weather Review was in januari 1963 aan een band met actinoforme bewolkingspatronen gewijd. Destijds al werd vastgesteld dat het verschijnsel zich uitsluitend voordoet boven de oostzijden van de oceanen in de tropen of de subtropen in velden met stratocumulusbewolking aan de onderzijde van de passaatwindinversie.
Daarna bleef het geruime tijd stil en was het aantal malen dat het verschijnsel werd gesignaleerd en gerapporteerd op de vingers van een hand te tellen. Een geval uit die periode dat werd vastgelegd door astronauten van het internationaal ruimtestation, is afgebeeld als figuur 2. Figuur 2c geeft een beeld van de Amerikaanse geostationaire satelliet GOES 9 uit 1997.
Meteorologisch onderzoekers zagen de actinoforme bewolking als een overgangstype tussen open en gesloten cellen en besteedden er verder weinig aandacht aan. In een tamelijk recente, herziene uitgave van de Verklarende Woordenlijst van de Meteorologie (Glickman, 2000) kwam het woord actinoform niet eens voor.

3. Actinoforme bewolking boven het oostelijk deel van de Stille Oceaan voor de kust van Ecuador en Peru. Het gebied in beeld is 380 bij 325 kilometer; de wolkentoppen bevinden zich op ongeveer 1500 meter. Het patroon bevond zich in een band met actinoforme bewolking van 2000 kilometer lang en verplaatste zich met de stroming mee met een snelheid van ongeveer 10 meter per seconde. Dit satellietbeeld trok de aandacht van de Amerikaanse meteoroloog Roger Davis en vormde de aanleiding tot hernieuwde belangstelling voor het verschijnsel actinoforme bewolking gedurende de afgelopen jaren. Instrument: MISR. Satelliet: Terra. Datum: 16 november 2001, 17 UTC. Bron: NASA/GSFC/LaRC/JPL, MISR Team.

4. Stratocumulusvelden boven de zuidelijke Atlantische Oceaan voor de kust van Namibië, dat geheel rechts in beeld is. Vooral midden-links is het actinoforme patroon duidelijk herkenbaar. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Datum: 18 juni 2002 0945 UTC. Bron: NASA/GSFC MODIS Rapid Response Team.

5. Stratocumulusvelden boven de zuidelijke Stille Oceaan voor de kust van Peru met gesloten cellen en actinoforme bewolkingspatronen. Dit type bewolkinspatroon doet zich daar 25 procent van de tijd voor. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Datum: 4 september 2003 1555 UTC. Bron: NASA/GSFC MODIS Rapid Response Team.

Eenentwintigste eeuw
Pas in de afgelopen vijf jaar werd het verschijnsel niet langer meer doodgezwegen, nadat eind 1999 de Amerikaanse satelliet Terra was gelanceerd en de detaillering van de beelden aanzienlijk was toegenomen. Vooral dankzij de op de Terra en de later gelanceerde zustersatelliet Aqua meegevoerde precisie-instrumenten als de Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) (zie figuur 3) en de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) (overige figuren) komen steeds meer scherpe beelden van patronen in stratocumulusbewolking beschikbaar.
In november 2001 trok de satelliet toevallig recht over een karakteristiek geval van actinoforme bewolking. Het wolkenpatroon vulde vrijwel het hele beeld (figuur 3) van de MISR. Het kon daardoor ook op de lageresolutiebeelden die worden gemaakt om snel een indruk te krijgen van wat er zo al te zien is, gemakkelijk worden herkend. Dat beeld trok de aandacht van de Amerikaanse meteoroloog Roger Davis van de University of Arizona in Tucson. Zijn afstudeerstudent Michael Garay. bladerde nog eens door het MISR-satellietbeeldarchief en trof meer dan 50 gevallen aan van actinoforme bewolkingspatronen. In satellietbeelden van de Amerikaanse geostationaire satelliet GOES (vergelijk figuur 2c) vonden zij vervolgens nog meer voorbeelden. Het verschijnsel was dus veel minder zeldzaam dan eerder werd gedacht; het treedt boven de oceanen overal op waar ook de uitgestrekte stratocumulusvelden schering en inslag zijn. Voor de kust van Peru deed het verschijnsel zich zelfs 25 procent van de tijd voor. Het patroon is gewoonlijk twee tot drie opeenvolgende dagen zichtbaar. Uit de bewolking valt soms wat motregen.
Het mechanisme dat tot vorming van actinoforme bewolking leidt, is nog niet duidelijk. Wel lijkt er een zeker verband met koude golfstromen in de oceaan. Ook voor gesloten cellen geldt dat die zich meestal voordoen boven relatief kou oceaanwater; actinoforme bewolking en gesloten cellen gaan dan ook meestal hand in hand; van een overgang naar open cellen is vrijwel nooit sprake.

Vorig hoofdstuk index volgend hoofdstuk